电梯PLC大学本科方案设计书1.docx

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电梯PLC大学本科方案设计书1

电梯控制系统

摘要

进入九十年代，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高，继电器控制的弱点就越来越明显。

可编程序控制器（PLC）是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。

鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式已逐渐被PLC控制代替。

同时，由于电机交流变频调速技术的发展电梯的拖动方式已由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速。

因此，PLC控制技术加变频调速已成为现代电梯行业的一个热点。

而PLC是一种用于自动化控制的专用计算机，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性高、易操作、维修、编程简单、灵活性强。

控制系统结构简单，外部线路简化.另外可方便地增加或改变控制功能。

也可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。

随着电力电子技术、微电子技术和计算机控制技术的飞速发展，交流变频调速技术的发展也十分迅速。

电动机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。

变频调速以其优异的调速性能和起制动性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

1正文

继电器组成的顺序控制系统是最早的一种实现电梯控制的方法。

但是，进入九十年代，随着科学技术的发展和计算机技术的广泛应用，人们对电梯的安全性、可靠性的要求越来越高，继电器控制的弱点就越来越明显。

可编程序控制器（PLC）最早是根据顺序逻辑控制的需要而发展起来的，是专门为工业环境应用而设计的数字运算操作的电子装置。

鉴于其种种优点，目前，电梯的继电器控制方式己逐渐被PLC控制所代替。

同时，由于电机交流变频调速技术的发展，电梯的拖动方式己由原来直流调速逐渐过渡到了交流变频调速。

因此，PLC控制技术加变频调速技术己成为现代电梯行业的一个热点。

1.1电梯继电器控制系统的特点及存在问题

1.1.1电梯继电器控制系统的优点

（1）所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握。

（2）系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器。

（3）大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜。

（4）多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，已形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。

1.1.2电梯继电器控制系统存在的问题

（1）系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。

（2）普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高。

（3）电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。

（4）系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。

（5）保养维修工作量大，费用高。

而且检查故障困难，费时费工。

1.2PLC及在电梯控制中的应用特点

1.2.1PLC的特点

（1）可靠性:

对可维修的产品，可靠性包括产品的有效性和可维修性。

A.PLC不需要大量的活动元件和接线电子元件，它的接线大大减少，与此同时，系统的维修简单，维修时间短。

B.PLC采用了一系列可靠性设计的方法进行设计，例如，冗余设计，断电保护，故障诊断和信息保护及恢复等，提高了MTBF，降低了mlTR使可靠性提高。

C.PLC具有编程简单，操作方便，维修容易等特点，一般不易发生操作的错误。

D.PLC具有比通用计算机控制更简单的编程语言和更可靠的硬件。

采用了精简化的编程语言，编程出错率大大降低，而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高。

E.在PLC的硬件方面，采用可靠性的元件:

采用先进的工艺制造流水线制造。

对干扰的屏蔽、隔离和滤波等。

对电源的断电保护。

对存储器内容的保护等。

F.PLC的软件方面，采用软件滤波。

软件自诊断。

简化编程语言等。

（2）易操作性，PLC的易操作性表现在下列几个方面:

A、操作方便对PLC的操作包括程序输入和程序更改的操作。

大多数PLC采用编程器进行输入和更改的操作。

编程器至少提供了输入信息的显示，对大中型的PLC，编程器采用了CRT屏幕显示，因此，程序的输入直接可以显示。

更改程序的操作也可直接根据所需要的地址编号或接点号进行搜索或顺序寻找，然后进行更改。

更改的信息可在液晶屏或CRT上显示。

B、编程方便PLC有多种程序设计语言可供使用。

对电气技术人员来说，由于梯形图与电气原理图较为接近，容易掌握和理解。

采用布尔助记符编程语言时，十分有助于编程人员的编程。

C、维修方便PLC具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低。

当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可以很快的找到故障的部位，以便维修。

（3）灵活性，PLC的灵活性表现在以下几个方面:

A.PLC采用的编程语言有梯形图、布尔助记符、功能表图、功能模块和语句描述编程语言。

编程方法的多样性使编程方便、应用面拓展。

B.PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。

它可根据应用的规模不同，即可进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。

C.操作十分灵活方便，监视和控制变得十分容易。

1.2.2PLC控制电梯的优点

（1）在电梯控制中采用了PLC，用软件实现对电梯运行的自动控制，可靠性大大提高。

（2）去掉了选层器及大部分继电器，控制系统结构简单，外部线路简化。

（3）PLC可实现各种复杂的控制系统，方便地增加或改变控制功能。

（4）PLC可进行故障自动检测与报警显示，提高运行安全性，并便于检修。

（5）用于群控调配和管理，并提高电梯运行效率。

（6）更改控制方案时不需改动硬件接线。

1.3电梯变频调速控制的特点:

变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

变频调速电梯的特点:

（1）变频调速电梯使用的是异步电动机，比同容量的直流电动机具有体积、占空间小，结构简单，维护方便、可靠性高、价格低等优点。

（2）变频调速电源使用了先进的SPWM技术SVPWM技术，明显改善了电梯运行质量和性能。

调速范围宽、控制精度高，动态性能好，舒适、安静、快捷，已逐渐取代直流电机调速。

（3）变频调速电梯使用先进的SPWM和SVPWM技术，明显改善了电动机供电电源的质量，减少了谐波，提高了效率和功率因数，节能明显。

2电梯设备与电梯发展动态

2.1电梯设备

2.1.1电梯的分类

电梯的分类有各式各样:

（1）按用途分类有客梯、货梯、医用梯等

（2）按速度低速电梯1m/s以下

中速电梯1-2m/s高速电梯2m/s以上超高速电梯4m/s以上

（3）按驱动电源分类交流电梯速度一般小于2m/s

直流电梯速度一般大于2m/s

（4）按控制方式分类有/无司机控制、群控、有层间控制、简易集选控制、集选控制等

2.1.2电梯的主要组成部分

（1）曳引部分通常由曳引机和曳引钢丝绳组成。

电动机带动曳引机旋转使轿厢上下运动。

（2）轿厢和厅门轿厢由轿架、轿底、轿壁和轿门组成。

厅门一般有封闭式、中分式、双折式、双折中分式和直分式等。

（3）电器设备及控制装置有曳引机，选层器传动及控制柜、轿厢操纵盘、呼梯按钮和厅站指示器组成。

（4）其它装置对重装置、补偿装置等。

2.1.3电梯的安全保护装置

（1）电磁制动器，装于曳引机轴上，采用直流电磁制动器，启动时通电松闸，停层后断电制动。

（2）强迫减速开关，其分别装于井道的顶部和底部，当轿厢驶过端站换速未减速时，轿厢上的撞块就触动此开关，通过电器传动控制装置，使电动机强迫减速。

（3）限位开关，当轿厢经过端站平层位置后仍未停车，此限位开关立即动作，切断电源并制动，强迫停车。

（4）行程极限保护开关，当限位开关不起作用，轿厢经过端站时，此开关动作。

（5）急停按钮，装于轿厢司机操纵盘上，发生异常情况时，按此按钮切断电源，电磁制动器制动，电梯紧急停车。

（6）厅门开关，每个厅门都装有门锁开关。

仅当厅门关上才允许电梯启动。

在运行中如出现厅门开关断开，电梯立即停车。

（7）关门安全开关，常见的是装于轿厢门边的安全触板，在关门过程中如安全触板碰到乘客时，发出信号，门电机停止关门，反向开门，延时重新开门，此外还有红外线开关等。

（8）超载开关，当超载时轿底下降开关动作，电梯不能关门和运行。

（9）安全窗开关，钢带轮的断带开关等。

3基本方案选择

本设计通过多种方案的比较和对照，完成了电梯控制系统中变频器和可编程控制器的选择。

3.1变频器的选择

随着变频器性能价格比的提高，交流变频调速己应用到许多领域，由于变频调速的诸多优点，使得交流变频调速在电梯行业也得到广泛应用。

目前，有为电梯控制而设计的专用变频器早已问世，其功能较强，使用灵活，但其价格相对较贵。

因此，本设计没有采用专用变频器，而是选用了通用变频器，通过合理的配置、设计和编程，同样可以达到专用变频器的控制效果。

这是本设计的特点之一。

3.1.1通用变频器简况

3.1.1.1通用变频器的发展

上个世纪80年代初，通用变频器实现了商品化。

在近20年的时间内经历了由模拟控制到全数字控制和由采用BJT到采用IGBT两个大发展过程。

1、容量不断扩大2、结构的小型化3、多功能和智能化4、应用领域不断扩大

3.1.1.2通用变频器的功率输出驱动技术动向

采用变频器的调速传动技术，近年来取得惊人的进步。

从技术发展动向来看，大致有如下几个方面:

A,IGBT的应用效果明显1.负载电动机的噪声极小，实现了低噪声传动。

2.同样由于载波频率的提高，减少了电动机转矩的脉动和电动机的损耗。

3.简化了驱动回路，使整个装置更加紧凑，可靠性提高，成木降低。

4.主开关器件如果采用工PM，上述效果将更加明显。

B、网侧变流器的fWM控制采用的变频器

C、矢量控制变频器已通用化

3.2可编程序控制器（PLC）的选择

电梯PLC控制系统不再使用继电器控制系统中模拟轿厢运动的机械选层器。

电梯运行过程中，轿厢所处楼层位置如何检测，PLC软件如何根据给定输入信号及运行条件判断或计算楼层数，是电梯正常运行的首要问题，是正确定向和选层换速的必要前提。

3.2.1轿厢楼层位置检测方法:

主要方法有如下几种:

（1）用干簧管磁感应器或其它位置开关

（2）利用稳态磁保开关（3）利用旋转编码器

3.2.2PLC的选型

根据以上选择的轿厢楼层位置检测方法，要求可编程控制器必须具有高数计数器。

又因为电梯是双向运行的，所以PLC还需具有可逆计数器。

综合考虑后，本设计选择了日本三菱公司生产的FX系列机。

FX系列机具有以下优点:

1体积极小

2先进美观的外部结构

3提供多种子系列供用户选用

4灵活多变的系统配置

5功能强、使用方便

4系统硬件设计

4.1变频器结构及参数设置

由于采用PLC作为逻辑控制部件，故变频器和PLC通讯时采用开关量而不用模拟量。

由于61665是通用型变频器，因而用在电梯控制上为了满足运行效率、舒适感、平层精度和安全性的要求，其参数设置比专用型变频器要复杂得多.

4.1.1VS-61665变频器的参数

61665变频器共有9组参数，每一组参数的设定都具有特定的含义。

常用参数如表4.1

4.1.2参数设置

积分时间常数宜大些:

（1）为了提高运行效率，快车频率应选为工频，而爬行频率要尽可能低些，以减小停车参数设置的原则:

（2）为减小启动冲击及增加调速的舒适感，其速度环的比例系数宜小些，而冲击。

（3）零速一般设置为OHz，速抱闸功能将影响舒适感。

（4）变频器其他常用参数可根据电网电压和电机铭牌数据直接输入，具体的设置见表4.2

4.1.3变频器自学习功能的应用方法

为了使变频器工作在最佳状态，在完成参数设置后，需使变频器对所驱动的电动机进行自学习，而61665就具有曳引机参数自学习的功能，其方法是:

将曳引机制动轮与电机轴脱离，使电动机处于空载状态，然后启动电动机，让变频器自动识别并存储电动机有关参数，变频器将根据识别到的结果调整控制算法中的有关参数。

显然，这一组自学习到的参数，是和变频器匹配的最佳参数，使变频器能对该电动机进行最佳控制。

4.1.4变频器容量计算

变频器的功率可根据曳引机电机功率、电梯运行速度、电梯载重与配重进行计算。

设电梯曳引机电机功率为P1，电梯运行速度为v，电梯自重为W1，电梯载重为W2，配重为W3。

，重力加速度为g，变频器功率为P。

在最大载重下，电梯上升所需曳引功率为P2,

P2=[（W,+W,-W,）g+F1]v其中F1=K（W1+W2-W3）g+＆为摩擦力，＆可忽略不计。

电机功率P1，变频器功率P应接近于电机功率P1，相对于P2留有安全裕量，可取P≈l.5P2

4.1.5变频器制动电阻参数的计算

由于电梯为位能负载，电梯运行过程中产生再生能量，所以变频调速装置应具有制动功能.带有逆变功能的变频调速装置通过逆变器虽然能够将再生能量回馈电网，但成本太高.采用能耗制动方式通过制动单元将再生能量消耗在制动电阻上，成本较低而且具有良好的使用效果.能耗制动电阻R1的大小应使制动电流I1的值不超过变频器额定电流的一半，即

I1=Uo/R1≤I/2

其中U。

为额定情况下变频器的直流母线电压.由于制动申阻的工作不是连续长期工作，因此其功率可以大大小于通电时消耗的功率.

4.2PLC控制系统设计

电梯PLC的控制系统由信号控制系统和拖动控制系统两部分组成。

图4.1为电梯PLC控制系统的基本结构图，主要硬件包括PLC主机及扩展、机械系统、轿厢操纵盘、厅外呼梯盘、指层器、门机、调速装置与主拖动系统等。

系统控制核心为PLC主机，操纵盘、呼梯盘、井道及安全保护信号通过

PLC输入接口送入PLC，存储在存储器及召唤指示灯等发出显示信号，向拖动和门机控制系统发出控制信号。

4.2.1设计思想

4.2.1.1信号控制系统

电梯信号控制基本由PLC软件实现。

电梯信号控制系统如图4.2所示，输入到PLC的控制信号有:

运行方式选择（如自动、有司机、检修、消防运行方式等）、运行控制、轿内指令、层站召唤、安全保护信息、旋转编码器光电脉冲、开关门及限位信号、门区和平层信号等。

4.2.1.2电梯控制系统实现的功能

（1）一台电机控制上升和下降

（2）各层设上/下呼叫开关（最顶层与起始层只设一只）

（3）电梯到位后具有手动或自动开门关门功能

（4）电梯内设有层楼指令键，开关门按键，警铃风扇及照明按键

（5）电梯内外设有方向指示灯及电梯当前层号指示灯

（6）当电梯在某层停梯待客时，按下层外召唤按钮，应能自动开门迎客

（7）在一般情况下，电梯停站4-6秒应能自动关门。

在延时时间内，若按下关门按钮，门将不经延时提前实现关门动作.

（8）在开关过程中或门关闭后，电梯启动前，按下操纵盘上开关按钮，门将打开。

（9）当轿厢内操纵盘上有多个选层指令时，电梯应能按顺序自动停靠车门，并能至调定时间，自动确定运行方向。

（10）当轿厢内操纵盘上，选层指令相对与电梯位置具有不同方向时，电梯应能按先入为主的原则，自动确定运行方向。

（11）电梯在运行中应能记忆层外的呼梯信号，对符合运行方向的召唤，应能自动逐一停靠应答。

（12）当电梯完成全部顺向指令后，应能自动换向，应答相反方向的信号。

（13）当完成全部轿厢内指令，又无层外呼梯信号时电梯应自动关门在调定时间内自动关闭轿厢照明。

（14）当电梯设有基站时，电梯在完成全部指令后，自动驶回基站，停机待客。

4-2.1.3电梯操作方式

1）单轿厢下集选控制登记所有轿厢和厅门下行召唤。

轿厢上行是只答应轿厢召唤，直至最高层。

自动改变运行方向为下行，应答厅门下行召唤。

2）单轿厢全集选登记所有厅门和轿厢召唤。

上行时顺应答轿厢和厅门上召唤。

直至最高层自动反向应答下行召唤和轿厢召唤。

本设计采用全集选操作方式。

4.2.1.4减速及平层控制

电梯的工作特点是频繁起制动，为了提高工作效率、改善舒适感，要求电梯能平滑减速至速度为零时，准确平层，即“无速停车抱闸”，不要出现爬行现象或低速抱闸，即直接停止，要做到这一点关键是准确发出减速信号，在接近层楼面时按距离精确的自动矫正速度给定曲线。

本设计采用旋转编码器检测轿厢位置，只要电梯一运行，计数器就可以精确地确定走过的距离，达到与减速点相应的预制数时即可发出减速命令。

不论哪种方式产生的减速命令，由于负载的变化、电网波动、钢丝绳打滑等，都会使减速过程不符合平层技术要求，为此一般在离层楼100-200mm处需设置一个平层矫正器，以确保平层的长期准确性。

4.2.2I/0点数的分配及机型的选择

本设计按七层的电梯为例，根据需要控制的开关、设备大约有52个输入点，34个输出点需进行控制，考虑10%^-150%的裕量，故选择COUP主机模块十C40P扩展单元，其工//0点数可达56/44个，I/O分配如下:

4.3系统结构框图

系统由轿厢、开关门机构、曳引机构、控制系统等组成，如图4.5所示。

5系统软件设计

5.1电梯上行

a.当电梯停于1楼（1F）或2F、3F时，4楼呼叫，则上行到4楼碰到行程开关后停止。

b.电梯停于1F或2F，3F呼叫，则上行，碰到3楼行程开关后停止。

c.电梯停于1F，2F呼叫，则上行，碰到2F行程开关后停止。

d.电梯停于1F，2F，3F同时呼叫，则电梯上行到2F后，听5S，继续上行到3F后停止。

e．电梯停于1F，3F、4F同时呼叫，电梯上行到3楼，停5秒，继续上行到4楼停止。

f.电梯停于1楼，2楼、4楼同时呼叫电梯上行到2楼，停5秒，继续上行到4楼停止。

g.电梯停于1楼，2、3、4楼同时呼叫电梯上行到2楼，停5秒，继续上行到3楼，停5秒，再继续上行到4楼停止。

h.电梯停于2楼，3、4楼同时呼叫，电梯上行到3楼，停5秒，继续上行到4楼停止。

5.2电梯下行

a.电梯停于4楼或3楼或2楼，1楼呼叫，电梯下行到1楼停止。

b.电梯停于4楼或3楼，2楼呼叫，电梯下行到2楼停止。

c.电梯停于4楼，3楼呼叫，电梯下行到3楼停止。

d.电梯停于4楼，3楼、2楼同时呼叫，电梯下行到3楼，停5秒，继续下行到2楼停止。

f.电梯停于4楼，2楼、1楼同时呼叫，电梯下行到2楼，停5秒，继续下行到1楼停止。

g.电梯停于4楼，3楼、2楼、1楼同时呼叫，电梯下行到3楼，停5秒，继续下行到2楼，停5秒，再到1楼停止。

5.3楼层显示

6梯形图

结束语

本设计基本上达到了设计目的。

利用通用变频器和PLC实现了对电梯的控制，通过合理的设备选型、参数设置和软件设计，提高了电梯运行的可靠性。

通过本次设计，我的知识领域得到进一步扩展，专业技能得到进一步提高，同时增强了分析和解决工程实际的综合能力。

另外，也培养了自己严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风。

本设计中有很多的不足处如：

电梯的超载问题，电梯在空载时是否回一楼等待，等问题。

由于本人学习不精暂时不能完成。

文中也可能出现很多错误，望各位老师指出纠正。

在以后的工作学习中我会努力学习！

在此，非常感谢辅导老师的指导帮助我完成这次设计。

对本设计提出了很多宝贵的建议。

参考文献

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重庆大学出版社，2001

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人民邮电出版社，2004-7

5.郁汉琪.机床电气及可编程控制器实验、课程设计指导书，高等教育出版社2001